HETEROCYKLICZNE%20ZWI%a5ZKI%20AROMATYCZNE.pdf

H E T E R O C Y K L I C Z N E

Z W I Ą Z K I A R O M A T Y C Z N E

Aleksander Kołodziejczyk styczeń 2007

Cykliczne związki zawierające heteroatom (tzn. atom inny niŜ atom węgla, najczęściej N , O lub

S ) oraz odpowiednią liczbę podwójnych wiązań, tak Ŝeby razem z wolną parą heteroatomu

spełniać reguł ę Hückla wykazują właściwości aromatyczne. Nale Ŝą do nich heterocykle

pi ę ciocio- lub sze ś cioczłonowe .

Pi ę cioczłonowe heterocykle aromatyczne

Przykłady pięcioczłonowych heterocykli aromatycznych.

C -

pirol furan tiofen anion cyklopendienowy

Warto zwrócić uwagę, Ŝe podobną, spełniającą regułę Hückla strukturę elektronową ma anion

cyklopentadienowy . Oczywiście wszystkie przedstawione pierścienie są płaskie.

Heterocykle aromatyczne mogą zawierać więcej heteroatomów.

oksazol tiazol

imidazol pirazol triazol [ (1,3,5)triazol ]

Znane są teŜ heterocykle pi ę cioczłonowe skondensowane z innymi pierścieniami homo- lub

heterocyklicznymi.

N H

indol karbazol puryna

Wyst ę powanie

Pięcioczłonowe, heterocykliczne pierścienie znajdują się w wielu związkach naturalnych.

Przykładem mogą być aminokwasy – tryptofan i histydyna , aminy biogenne , np. tryptamina ,

histamina czy skatol , alkaloidy , np. alkaloidy sporyszu (pochodne kwasu lizerginowego ), LSD-

25 (pochodna kwasu lizerginowego ), johimbina , strychnina (układ indolowy), alkaloidy

purynowe ( kofeina i analogi), aminy wchodzące w skład kwasów nukleinowych , np. guanina ,

związki zawierające hem , np. hemoglobina , chlorofil , tiamina ( witamina B 1 ) i wiele innych.

aminokwasy :

CH 2 CHCOOH

NH 2

CH 2 CHCOOH

NH 2

tryptofan

histydyna

aminy biogenne :

CH 2 CH 2

NH 2

CH 3

CH 2 CH 2 NH 2

histamina

skatol

tryptamina

CH 2 N(CH 3 ) 2

CH 2 CH 2 NH 2

gramina

serotonina

Histamina powstaje z histydyny w trakcie dekarboksylacji białek . NaleŜy do hormonów

tkankowych, pojawia się w skórze, płucach i komórkach tucznych. Jest składnikiem wielu

toksyn, np. os, pszczół, niektórych toksycznych ryb. Wywołuje reakcje alergiczne, oraz obniŜa

ciśnienie krwi. Tego rodzaju objawy wymagają podania leków antyhistaminowych.

Skatol tworzy się z tryptofanu z procesach gnilnych. Występuje w kale. Ma niezwykle

nieprzyjemny zapach. Jego zapach wyczuwalny jest przy stęŜeniu 10 ppb , w roztworze wodnym.

Znajduje się takŜe w aromacie niektórych serów.

Tryptamina naleŜy do produktów degradacji biologicznej tryptofanu , powstaje równieŜ ze

strychniny pod wpływem silnych zasad. Jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie.

Znaleziono ją w grzybach, wyŜszych roślina i u zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np.

ananasach, pomarańczach, śliwkach czy pomidorach.

Gramina naleŜy do alkaloidów grupy indoliloalkiloamin . Została wyodrębniona ze zbóŜ (z

jęczmienia). Powstaje w wyniku biodegradacji tryptofanu . Jest toksyczna.

Serotonina jest amin ą biogenn ą szeroko rozpowszechnioną zarówno w roślinach, jak i u

zwierząt. Znajduje się w owocach jadalnych, np. bananach, ananasach, a takŜe w groźnych

toksynach. U saków w tym u ludzi pełni rolę neuroprzeka ź nika działającego w ośrodkowym

układzie nerwowym i układzie pokarmowym, występuje teŜ w trombocytach.

Niektóre czynności związane z odczuwaniem przyjemnych, np. jedzenie czekolady wywołują

zwiększone wydzielanie serotoniny . Serotonina bierze aktywny udział w procesie zasypiania - u

zwierząt doświadczalnych blokowanie jej syntezy wywoływało bezsenność. Wpływa na popęd

seksualny, zachowania impulsywne i apetyt. Niektóre narkotyki, w tym opioidy , meskalina i

LSD zwiększają syntezę i uwalnianie serotoniny w mózgu lub ją zastępują w roli

neuroprzekaźnika.

alkaloidy sporyszu:

COOH

NH CH CH 2 OH

CH 3

kwas

lizerginowy

ergometryna

LSD-25 i strychnina

CON(Et) 2

CH 3

LSD-25

strychnina

alkaloidy purynowe

H 3

CH 3

puryna

CH 3

kwas moczowy

kofeina

hem i chlorofil :

. .

hem

N N

tetrapirol

COOH

chlorofil i tiamina :

N NH 3

. .

N N

tiamina

chlorofil a

C 20 H 39 O

CH 3

Zadanie : wskaŜ i nazwij heterocykliczne ugrupowania w związków naturalnych, podanych powyŜej.

Otrzymywanie

Ogólna metoda tworzenia heterocyklicznych, pięcioczłonowych pierścieni zarówno pirolu ,

furanu , tiofenu , jak i ich analogów polega na ogrzewaniu zwi ą zków 1,4-dikarbonylowych

odpowiednimi reagentami. Furan i jego homologi powstają pod wpływem odwodnienia, np. za

pomocą P 2 O 5 . Do otrzymania pier ś cienia pirolowego potrzebny jest amoniak lub jego sole, a

tiofen i jego analogi tworzą się w obecności siarczków fosforu, np. pentasiarczku fosforu –

P 4 S 10 .

zwi ą zki

1.4-dikarbonylowe

zwi ą zki

heterocykliczne

R z

O R

Z acetonyloacetonu ( heksa-2,5-dionu ) moŜna w ten sposób otrzymać 2,5-dimetylowe pochodne

pi ę cioczłonowych heterocykli .

P 2 O 5 ,

H 3

O CH 3

2,4-dimetylofuran

(NH 4 ) 2 CO 3

H 3

CH 3

H 3

O CH 3

100 o C

2,4-dimetylopirol

acetonyloaceton

P 4 S 10

H 3

S CH 3

2,4-dimetylotiofen

Pirol występuje w smole węglowej i z niej jest wyodrębniany. Powstaje takŜe w trakcie pirolizy

produktów naturalnych zawierających białko . MoŜna go otrzymać z furanu w reakcji z

amoniakiem w temp. 400 o C, wobec katalizatora jakim jest tlenek glinu.

furan

NH 3 . aq

pirol

Al 2 O 3 , 400 o C

Polecaną metodą otrzymywania pirolu jest piroliza galaktaronianu amonu (soli amonowej kwasu

galaktarowego , zwanego inaczej kwasem śluzowym ).

(OH)

CH(OH)

(OH)HC

CH(OH)

pirol

- 2 CO 2 , - NH 3 , - HOH

37%

NH 4 OOC

H 4 N

galaktoronianu amonu

N-metylowane pochodne pirolu powstają w podobnej jak wyŜej reakcji z soli metyloamoniowej

kwasu arowego .

C-Alkilowe pochodne pirolu tworzą się w reakcji kondensacji a- aminoketonów ( aldehydów ) ze

zwi ą zkami karbonylowymi .

pirol

NH 2

- 2 HOH

a -aminoketon keton

Furan powstaje w reakcji dekarbonylowania ( eliminacji CO ) furfuralu . Furfural natomiast jest

produktem pirolizy pentoz .

CHOH

+ H, D

D, kat.

HOC

H 2

CHOH

- HOH

CHO

- CO

furan

furfural

pentoza

Z furfuralu moŜna otrzymać kwas pirośluzowy , z niego zaś w reakcji dekarboksylacji tworzy się

furan .

[O]

D, kat.

CHO

COOH

- CO 2

furan

furfural kwas piro ś luzowy

Tiofen takŜe występuje w smole węglowej, towarzyszy surowemu benzenowi z uwagi na

zbliŜone temperatury wrzenia tych cieczy. Oczyszczenie benzenu poprzez usunięcie tiofenu

wymaga metod opartych na reakcjach chemicznych – podczas sulfonowania tej mieszaniny w

łagodnych łagodnego powstaje jedynie kwas tiofenosulfonowy , który jest łatwo usuwalny

poprzez przemycie wodą.

Tiofen syntezuje się poprzez ogrzewanie 1,3-butadien u z siarką.

1,3-butadien

S, 600 o C

tiofen

- H 2 S

Do otrzymywania tiofenu moŜna równieŜ wykorzystać etyn .

etyn

S, 300 o C

tiofen

Przemysłowa metoda otrzymywania tiofenu polega ogrzewaniu n -butanu z siarką.

n -butan

tiofen

560 o C

TakŜe z kwasu bursztynowego powstaje tiofen .

kwas

bursztynowy

P 4 S 10

tiofen

O OH

Skatol otrzymuje się syntetycznie z fenylohydrazonu propanalu.

CH 2 CH 3

CH 3

fenylohydrazon

propanalu

NH N

- NH 3

skatol

Wła ś ciwo ś ci fizyczne i fizjologiczne

Pirol , furan i tiofen są bezbarwnymi, hydrofobowymi (trudno rozpuszczalnymi w wodzie)

cieczami, o temperaturach wrzenia odpowiednio: 130 , 31 i 84 o C . Temperatura wrzenia furanu

odpowiada tw. wrzenia eteru dietylowego ( 34,5 o C ). Wysoka tw. pirolu jest rezultatem jego

zdolności do tworzenia wiązań wodorowych, podobnie jak i innych amin 1 o i 2 o ; wrze wyŜej niŜ

dietyloamina ( 56 o C ). WyŜsza tw. tiofenu w porównaniu z furanem wynika z jego wyŜszej masy

cząsteczkowej (tw. sulfidu dietylowego wynosi 92 o C ).

Wszystkie trzy omawiane związki i ich homologi mieszają się z większością popularnych

rozpuszczalników organicznych.

Pirol pod wpływem światła i powietrza szybko ciemnie. Jest bardzo słabą zasadą, pod wpływem

mocnych kwasów polimeryzuje.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: